Как защитить космических путешествен-ников, Юджин Паркер

РИЗОНТ
в_о_з_м_о_ж_н_о_г_о______________________________________ [ оглавление ]

"В мире науки" № 6 2006 стр. 14-20

Юджин Паркер

КАК ЗАЩИТИТЬ
космических
путешественников

В научно-фантастических рассказах путешественникам обычно угрожают страшные монстры, блуждающие астероиды или звездные корабли инопланетян. Но в действительности наибольшую угрозу людям в космосе несут быстрые элементарные частицы, называемые космическими лучами. В длительных полетах они облучают людей и могут вызывать у них рак.
Большинство проблем, встающих перед покорителями космоса, могли бы решить инженеры.

ОБЗОР: ОПАСНОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Галактика пронизана быстро движущимися частицами, способными разрушать ДНК и другие молекулы. На поверхности Земли человека защищает от космической радиации масса воздуха. Космонавты на низких околоэкваториальных орбитах защищены магнитным полем Земли. Но здоровью тех, кто надолго отправится в путешествие к другим планетам, грозит серьезная опасность.

Сферическая оболочка из воды или пластмассы могла бы защитить космических путешественников, но ее масса составит не менее 400 т - слишком много даже для мощной ракеты. Магнит из сверхпроводящих материалов мог бы отклонять космические частицы, но весил бы около 9 т.

Специалисты по биомедицине должны определить, какую дозу долговременного облучения способен вынести человек, и могут ли лекарства стимулировать естественный процесс восстановления.

ОБ АВТОРЕ
Юджин Паркер (Eugene Parker) - специалист по межпланетному газу и магнитным полям. Еще в 1958 г. он предположил наличие солнечного ветра и объяснил его действие. Паркер разработал современную теорию солнечного магнитного поля, включая пересоединение силовых линий. Заслуженный профессор физики Чикагского университета и член Национальной академии наук, Паркер получил множество премий, включая Американскую национальную медаль по науке. Он почетный лектор фонда Генри Норриса Рассела в Американском астрономическом обществе и обладатель Киотской премии по фундаментальным наукам.

В 1912 г. австрийский физик Виктор Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что чем выше он взлетал, тем быстрее разряжался электроскоп. Причиной ионизации воздуха, делавшей его проводником электричества, было нечто таинственное, приходящее из космоса и названное космическими лучами.
К 1950 г. физики поняли, что космические лучи представляют собой ионы, главным образом, протоны с небольшой примесью более тяжелых ядер, бомбардирующие верхние слои атмосферы. Большая их часть приходит из-за пределов Солнечной системы, но что разгоняет их до скорости, близкой к скорости света, до сих пор остается загадкой.
Вопреки распространенному мнению, от атаки космических лучей нас защищает не магнитное поле Земли, а толстый слой атмосферы, где на каждый квадратный сантиметр поверхности приходится килограмм воздуха. Влетев в атмосферу Земли, космический протон в среднем преодолевает всего лишь 1/14 ее высоты (столб в 70 г) и на высоте 20-25 км соударяется с ядром атома воздуха. Остальная часть атмосферы поглощает осколки этого столкновения. Удар по ядру выбивает из него протон, или нейтрон, или и то и другое, и вызывает ливень гамма-лучей высокой энергии и частиц пи-мезонов, пионов. Каждый гамма-квант проникает вглубь атмосферы и завершает свой путь рождением электрона и его античастицы - позитрона. Аннигилируя, эти частицы рождают новые гамма кванты, но уже более низкой энергии, и так продолжается до тех пор, пока гамма-лучи не станут слишком слабыми для рождения частиц. А тем временем пионы быстро распадаются на мю-мезоны, мюоны, которые проникают до Земли.
Ежегодная доза облучения человека космическими лучами составляет около 0,03 бэр (зависит от высоты над уровнем моря), что эквивалентно облучению от двух рентгеновских снимков груди и вполне безопасно. Совершенно другое дело, когда человек оказывается за пределами атмосферы Земли, где бомбардировка космическими лучами намного сильнее, и сквозь его тело за секунду может пронестись около 5 тыс. ионов, способных разрушить химические связи в организме и вызвать такой же каскад вторичных частиц, как в атмосфере.

За год, проведенный человеком в межпланетном пространстве, космические лучи способны уничтожить треть его ДНК. Как защитить космонавтов?

Несмотря на то, что тяжелых ядер в космических лучах существенно меньше, чем протонов, наносимый ими вред так же велик, а то и больше, поскольку он пропорционален квадрату электрического заряда. Например, ядро железа наносит в 676 раз больше ущерба, чем протон. Неделя или даже месяц такого облучения не дадут серьезных последствий, но несколько лет путешествия к Марсу - это уже другая история. По оценке NASA, каждый год космические лучи уничтожали бы в теле космонавта около трети ДНК.

КАКОМУ РИСКУ ПОДВЕРГАЮТ СЕБЯ КОСМОНАВТЫ?

Космические путешествия могут быть очень опасны для здоровья. На диаграмме показаны оценки годичной дозы облучения космическими лучами. Бэр (биологический эквивалент рентгена) - стандартная единица радиационного облучения. За год межпланетного путешествия космонавт получит бo'льшую дозу, чем работник атомной станции за всю жизнь. Солнечные вспышки и ван-алленовские радиационные пояса Земли смертельно опасны для человека.

Требуется защита

Уоллес Фридберг (Wallace Friedberg) и его коллеги из Института авиакосмической медицины Федерального управления гражданской авиации в Оклахома-Сити исследовали возможное воздействие космических лучей на организм человека, отправляющегося на Марс. В их отчете, опубликованном в августе 2005 г., говорится, что в ходе полета к Марсу космонавты будут получать дозу не менее 80 бэр в год. Для сравнения: предельно допустимая доза для работников атомных электростанций в США составляет 5 бэр в год. В итоге естественные биологические механизмы восстановления организма человека могут не справиться с нагрузкой, и от рака погибнет каждый десятый отправившийся в космос мужчина и каждая шестая женщина. Кроме того, тяжелые ядра могут стать причиной катаракты глаза и повреждений мозга.
Постоянный поток космических лучей - не единственный источник радиации. На Солнце тоже могут происходить гигантские выбросы протонов и более тяжелых ядер, движущихся почти со скоростью света. Иногда такие выбросы в течение часа добавляют пару сотен бэр радиации, т.е. смертельную дозу для незащищенного космонавта. Известный пример - гигантская вспышка 23 февраля 1956 г. Какие бы меры ни принимались для отражения космических лучей, они должны быть предприняты и против солнечных бурь. Но и в этом случае было бы разумно наметить путешествие к Марсу в период минимума солнечной активности.

Космические лучи могут стать причиной катаракты, повреждений мозга, раковых заболеваний

Признавая радиационную угрозу, аэрокосмическое агентство учредило в 2003 г. Программу защиты от космической радиации в Центре управления космическими полетами Маршалла NASA в Хантсвилле, шт. Алабама. Сначала было решено обезопасить космонавтов при помощи слоя какого-либо вещества, по аналогии с атмосферой Земли. Вторая идея - отклонять космические лучи магнитным полем, более сильным, чем магнитное поле Земли, обеспечивающее некоторую защиту экваториальным областям и Международной космической станции. Позже родилась мысль сообщить космическому кораблю положительный заряд, способный отталкивать положительно заряженные ядра. В августе 2004 г. NASA устроило двухдневную встречу в Мичиганском университете в Анн-Арборе для оценки состояния дел. Вывод оказался неутешительным: пока не ясно, как решить проблему космических лучей.

ПЛАН 1: ЗАЩИТА ВЕЩЕСТВОМ

Толстый слой вещества вокруг космонавтов поглощает падающую радиацию и вторичные частицы. Сферическая водяная оболочка толщиной 5 м создает такую же защиту, как атмосфера Земли на высоте
5 500 м

ЗА: Простой принцип, гарантированное действие

ПРОТИВ: Слишком большая масса

Силовое поле

В рамках Программы защиты от космической радиации предложено несколько вариантов предохранения космонавтов от воздействия космических лучей. Как земная атмосфера спасает от радиации жителей нашей планеты, так же и слой защитного вещества может обеспечить безопасность людям, находящимся в космическом аппарате или на орбитальной станции. Если на каждый квадратный сантиметр земной поверхности оказывает давление килограмм воздуха, то в космосе можно использовать тот же килограмм, только защитного вещества, на каждый квадратный сантиметр поверхности аппарата. Хватит и 500 г, которые эквивалентны массе воздуха выше 5 500 м (при меньшей массе защитный материал не сможет поглощать вторичные частицы).
Если попробовать использовать воду, которая в любом случае необходима космонавтам, то потребуется слой толщиной 5 м. При этом масса сферического водного резервуара, окружающего маленькую капсулу, приблизится к 500 т. Для сравнения: максимальная грузоподъемность шаттла составляет около 30 т. Вода, богатая водородом, в отличие от веществ, содержащих более тяжелые элементы, где дополнительные протоны и нейтроны в их ядрах затеняют друг друга, ограничивая взаимодействие с пролетающими космическими частицами, могла бы создать надежную защиту. Для увеличения содержания водорода можно было бы использовать этилен (C₂H₄), полимеризующийся в полиэтилен, т.е. твердое вещество, для хранения которого не нужны резервуары. Но даже в этом случае необходимая масса составила бы не менее 400 т. Чистый водород был бы легче, но для него нужен массивный герметичный бак.
Была предложена и другая схема защиты человека на орбите, которую можно назвать магнитной схемой. На заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения. В зависимости от конфигурации линий поля частица может отклоняться почти в любую сторону или выйти на круговую орбиту, где она будет вращаться бесконечно. Приближаясь к магнитному полю Земли на низких широтах, заряженная частица, если она не слишком энергична, отбрасывается обратно в космическое пространство. Космический корабль с мощным магнитом делал бы то же самое. Каждый протон космических лучей обладает огромной кинетической энергией, поэтому для защиты космонавтов нужно отразить протоны с энергией 2 ГэВ. Чтобы остановить их на расстоянии в несколько метров, потребуется магнитное поле с индукцией 20 Тл, что примерно в 600 тыс. раз сильнее магнитного поля Земли на экваторе. Для создания такого поля требуется электромагниты на основе сверхпроводимости, использующиеся в ускорителях частиц. Сэмюель Тинг (Samuel C.C.Ting) из Массачусетского технологического института возглавил группу, спроектировавшую такую систему массой всего 9 т, гораздо более легкую, чем защита веществом, но все равно слишком тяжелую, чтобы везти ее с собой на Марс и обратно.

ПЛАН 2: МАГНИТНАЯ ЗАЩИТА

Электромагнит отталкивает падающие частицы обратно в космос. Чтобы отразить основной поток космических лучей с энергиями до 2 ГэВ, требуется магнитное поле в 600 тыс. раз сильнее земного на экваторе.

ЗА: Намного легче, чем защита веществом

ПРОТИВ: Не обеспечит защиту вдоль оси

Для подавления поля внутри жилого отсека необходимо добавить второе, внутреннее электромагнитное кольцо. Но подавление будет лишь частичным и при этом существенно усложнит систему.

Силовое поле

У магнитной схемы есть слабые места: магнитное поле не обеспечивает защиту вблизи полюсов, где частицы движутся параллельно полю, а не поперек. Именно поэтому магнитное поле Земли дает слабую защиту тем, кто живет вдали от экватора. Чтобы космонавтам ничего не угрожало, жилой отсек космического корабля должен иметь форму бублика. Кроме того, людям придется жить в магнитном поле с индукцией 20 Тл, и никто не знает, какие это вызовет биологические последствия. Физик- экспериментатор из Чикагского университета Джон Маршалл (John Marshall) рассказал мне много лет назад, что, когда он сунул голову в поле с индукцией 0,5 Тл между полюса ми магнита старого ускорителя частиц, любое движение головы вызывало вспышки в глазах, а во рту появился кислый привкус, вероятно, вызванный электролизом в слюне. Учитывая, что поле может так сильно воздействовать на химические процессы, происходящие в организме человека, необходимо провести лабораторные эксперименты. Возможно, инженерам придется нейтрализовать поле в пределах жилых помещений, используя компенсирующий электромагнит. Естественно, наличие второго магнита заметно усложнит систему.
Некоторые исследователи предложили использовать поле, простирающееся на много дальше, чем на несколько метров. Поле можно расширить, используя плазму: известно, что ионизированный газ солнечного ветра переносит магнитное поле Солнца на большие расстояния. Защитник и этого метода утверждают что такое «раздутое» поле не должно быть сильным: достаточно индукции около 1 Тл. К сожалению, они забывают о неустойчивости плазмы. Последние 50 лет в лабораториях тщетно пытаются удержать плазму в магнитном поле, чтобы использовать ее в энергетических установках термоядерного синтеза. Опыты доказали способность плазмы ускользать при любой попытке управлять ею. Впрочем, даже если удастся использовать плазму для расширения магнитного поля, она скорее ослабит защиту, чем усилит ее. Линии поля радиально вытянутся во все стороны, и влетающему протон у придется пересекать меньше силовых линий. Защита ослабнет и станет такой же, как в полярных областях Земли.

Фантастический заряд

Приверженцы другой идеи предлагают зарядить космический корабль электричеством. Если напряжение внешней обшивки относительно окружающего пространства со ставит 2 ГВ, то корабль сможет отразить все протоны космических лучей с энергиями до 2 ГэВ. Авторы этой идеи, похоже, забыли, что вокруг корабля нет вакуума. В районе Земли солнечный ветер заполняет пространство примерно пятью ионами и пятью электронами на 1 см³. Электроны, имеющие отрицательный заряд, будут притягиваться к положительно заряженному кораблю. Поскольку электрическое поле будет простираться до расстояния, где его потенциальна я энергия становится ниже тепловой энергии электронов (до расстояния в десятки тысяч километров), космический корабль будет стягивать к себе электроны из этого огромного объема. Они станут врезаться в обшивку с энергией 2 ГэВ и вести себя так же, как космические лучи, поскольку будут обладать такой же энергией, как протоны. В этом случае естественный поток космических лучей был бы заменен значительно более интенсивным искусственным. Ударяя о космический корабль, электроны излучали бы гамма-лучи, и интенсивность такой бомбардировки была бы ошеломляющей.

ПЛАН 3: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА

Выбрасывая в пространство пучок электронов, корабль приобретает положительный заряд, который отталкивает космические лучи. Чтобы отклонить частицы с энергиями до 2 ГэВ, корабль должен быть заряжен до 2 ГВ.

ЗА: Нет брешей в защите; нет опасного магнитного поля

ПРОТИВ: Возникает опасный приток отрицательно заряженных частиц; требуется электрическое поле гигантского напряжения

Проектировщики не объяснили, как они собираются зарядить космический корабль до напряжения 2 ГВ. Ток в 1 А при напряжении в 2 ГВ требует мощности 2 ГВт, что сопоставимо с мощностью приличной электростанции. Даже приблизительные оценки показывают, что ток превысил бы 10 МА.
Согласно другим предложениям, мощные ракеты могли бы ускорить путешествие, сократив время облучения космонавтов. Но оптимальная длительность полета к Марсу составляет определенную часть орбитального периода планеты, и чтобы сократить ее, требуется намного больше топлива. Кроме того, на поверхности Марса атмосфера разрежена (10 г/см²). Если база будет размещена глубоко, под сотнями тонн почвы, то можно было бы обеспечить защиту. Но для этого потребовалось бы использовать тяжелую технику.
Таким образом, все предложения по защите космонавтов от космических лучей не надежны. Естественные процессы восстановления человеческого организма на клеточном уровне могли бы помочь нейтрализовать дозу облучения, накопленную в течение длительного периода. Возможно, оценки заболеваемости раком, основанные на данных по кратковременным интенсивным вспышках радиации, слишком завышены.

Разреженная атмосфера Марса слабо защищает от космических лучей. Перспектива постоянного поселения зависит от того, смогут ли биомедики разработать лекарство от радиации

В 2003 г. NASA учредило Национальную лабораторию космической радиации при Брукхейвенской национальной лаборатории для изучения молекулярных механизмов повреждения клеток, надеясь создать лекарство для их лечения и восстановления. Лаборатория тщательно исследует разрушение ДНК радиацией и типы ран, не поддающихся лечению. Но химические препараты, повышающие сопротивляемость лабораторных крыс к радиационному облучению, сами по себе ядовиты. Радиационная опасность приглушает блеск идеи космических путешествий. И все равно люди будут стремиться к Луне и Марсу, мечтая о колонизации Вселенной.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Shielding Space Explorers from Cosmic Rays. Eugene Parker in Space Weather, Vol. 3, No. 8, Article no. S08004; August 18, 2005.
Публикации рабочей группы NASA 2004 г. по вопросам радиационной защиты: aoss.engin.umich.edu/Radiation
Cайт NASA по проблеме космической радиации: www.radiationshielding. nasa.gov
Хаякава С. Физика космических лучей. М.: Мир, 1973.
Паркер Ю. Космические магнитные поля. М.: Мир, 1982.
Основы космической биологии и медицины. Под ред. О.Г. Газенко и М. Кальвина. М.: Наука, 1975.

__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov